溪洛渡拱壩壩肩開挖及支護設計

尹 華 安

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣交界的金沙江干流上，壩址位于豆沙溪溝口至溪洛渡溝口全長約4km的峽谷中段，拱壩壩底高程324.50m，壩頂高程610.00m，最大壩高285.50m。壩肩相鄰區建筑物布置關系如圖1所示，在壩基及壩肩附近布置有左右岸纜機平臺、左右岸施工供料線、左右岸泄洪洞進口、上游施工圍堰及下游水墊塘等建筑物，各建筑物不僅在平面上相互毗鄰，還在高程上錯落銜接，空間布局極為緊湊。大壩壩肩2006年5月開始開挖，2009年2月底完成，經過近7年時間的安全監測和巡視，邊坡整體安全穩定，未發現局部塊體問題，變形亦在合理范圍之內。

圖1 壩基及壩肩區域相關建筑物布置示意

2 工程地質及穩定評價

2.1 工程地質

溪洛渡拱壩壩址區河道順直，谷坡陡峻，地形完整，無溝谷切割，河谷斷面呈較對稱的“U”型，谷底較寬闊平緩，兩岸山體陡峻雄厚，兩岸420m高程以下總體呈25°～40°的緩坡，420m高程以上為受層狀地層控制的各級陡坡、陡壁，坡度50°～80°，兩岸谷肩高程680～860m以上為第四紀堆積緩坡平臺，地形寬闊平緩，緩傾下游。壩區基巖及兩岸谷坡由14個巖流層的二疊系上統峨眉山玄武巖(P2β)組成，地層為緩傾單斜地層，無斷層分布，巖流層面略有起伏，微傾下游偏左岸。

壩區主要結構面為層間錯動帶(C)、層內錯動帶(Lc)、擠壓帶(g)和基體裂隙(L)，其中：層間錯動帶(C)發育于巖流層界面或靠近界面附近，總體產狀與巖流層近于一致，有構造錯動破碎現象，部分工程地質性狀較差；層內錯動帶(Lc)發育于各巖流層內部，傾角較緩、分布廣、數量多、長度較大，發育間距一般約5m，局部地段集中成帶發育，間距小于1.5m，部分工程地質性狀較差；擠壓帶(g)各巖流層均有發育，以陡傾為主，長度5～10m，工程類型為裂隙巖塊型，弱風化；基體裂隙(L)在巖體內部發育，為剛性結構面，陡裂為主，緩裂次之，長度短小，連通性差，受層間、層內錯動帶限制，分布不均。

拱壩建基面上的地質缺陷主要分為兩大類：

(1)規模較大、性狀較差的層間、層內錯動帶和錯動帶集中發育的風化夾層；

(2)受一定規模的緩傾角錯動帶和陡傾角擠壓帶、卸荷裂隙切割的弱風化、弱卸荷巖體。

上述兩類地質缺陷所構成的巖體為Ⅲ2和Ⅳ1級巖體，主要分布于建基面的下游壩趾附近。

2.2 穩定評價

壩肩部位自然邊坡巖體堅硬完整，宏觀上呈塊狀、次塊狀結構為主，部分鑲嵌碎裂結構，巖體質量較好，水平深度150m以外，巖體質量以Ⅱ級巖體為主。層間、層內錯動帶是邊坡巖體中的主要控制性結構面，根據地質資料分析，受傾角、產狀影響，無構成穩定問題的大規模不利組合體。巖體中裂隙、擠壓帶多較短小、粗糙，且受限于層間、層內錯動帶發育，僅在自然斜坡陡壁的表淺部可見，由此影響形成滑移～拉裂、滑移～壓致拉裂和冒落式滑塌跡象，但影響深度有限。綜合分析，壩肩邊坡巖體強度高，質量好，風化卸荷不強烈，無大規模的滑移控制面存在，自然邊坡坡型完整，未見大規模的變形體，設計開挖邊坡與自然邊坡接近，壩肩邊坡整體均處于穩定狀態。

工程邊坡部分處于卸荷帶內，巖體結構較松馳，邊坡巖體中發育有層間錯動帶、層內錯動帶、擠壓帶和隨機裂隙等各類結構面。這些結構面在邊坡開挖形成臨空面后，由于其相互切割組合可能構成不穩定塊體或潛在不穩定塊體，施工中應針對這些不穩定塊體進行必要的工程處理措施，主要包括：柱狀節理受卸荷作用發育成卸荷結構面，開口線附近的中傾角裂隙組合形成滑移拉裂式變形體；拱肩上游邊坡受層間、層內錯動帶控制，在開口線、馬道邊緣易受擠壓帶、裂隙及邊坡臨空面組合形成欠穩定隨機塊體。

3 拱壩建基面

溪洛渡可行性研究設計階段，兩岸壩基主要利用微風化～新鮮巖體，局部利用弱風化下段巖體，河床壩基置于332m高程。優化技施階段，通過進一步的地質勘探工作和在體形優化及整體穩定方面的科研工作，參照國內外大型拱壩選擇建基面的設計經驗，對溪洛渡拱壩建基面進行了優化，提出了Ⅱ級巖體為主，適當利用Ⅲ級巖體的拱壩建基面方案，建基面各級巖體所占面積的百分比見表1，巖體質量分布見圖2。

表1 建基面各級巖體所占面積的百分比

圖2 拱壩建基面巖體質量分布

溪洛渡拱壩壩高285.50m，承受約1 300萬t的巨大水推力，要求基礎具有相應的承載能力、穩定性、抗滲性和適宜的基面形態。為提高基礎巖體的整體性和壩基穩定性，要求對建基面分布的不可用巖體進行必要處理，處理主要對象是規模較大的層間層內錯動帶和強風化夾層、河床壩基332m高程以下風化巖體、建基面560m高程以下的Ⅲ2和Ⅳ1級巖體以及560m高程出露的Ⅳ1級巖體等。地基處理的對象和主要措施見表2。

表2 拱壩基礎處理的主要對象及措施

4 壩肩開挖及支護設計

4.1 設計要點

溪洛渡壩肩人工開挖邊坡最大高度395.50m，高邊坡開挖布置和支護設計方案對施工安全和永久運行安全至關重要。為較好解決溪洛渡拱壩壩肩開挖高邊坡和相鄰建筑物協調問題，設計主要按照開挖、支護及施工控制三方面要點進行，見表3～5。

4.2 開挖設計

根據施工總體布置，兩岸610m高程布置大壩混凝土澆筑施工供料線，兩岸壩頂上部P2β13巖流層頂天然臺地之上布置平移式纜機，左右岸平臺高程分別為700m、720m。由于纜機平臺基礎和拱端距離較近，同時需要考慮施工供料線布置，壩肩610m以上開挖設計主要應考慮相鄰建筑布置協調問題。左右岸610m以上壩肩開挖布置示意見圖3～4。

表3 拱壩壩肩開挖設計要點

表4 拱壩壩肩支護設計要點

表5 拱壩壩肩開挖施工控制要點

根據地質情況，設計以纜機平臺、施工供料線為邊界進行壩肩開挖布置設計，左岸按邊坡地質情況，采用穩定坡比進行開挖，控制剖面開挖坡比1∶0.3～0.45，右岸按纜機平臺和供料線確定的位置設計開挖邊坡，控制剖面開挖坡比提高到1∶0.2～0.25，施工馬道基本寬度3m，高差20～30m。右岸610m供料線負責混凝土轉運，基本寬度為13m，受壩頭位置控制，在供料線穿越壩頭部位架設棧橋等臨時設施，實現上下游的供料線連接，并順暢的跨越壩頭。左岸610m供料線負責材料轉運，基本寬度為12m，壩頭設7m寬馬道與上游及壩頂交通洞連接。

圖3 左岸610m以上壩肩開挖布置示意 圖4 右岸610m以上壩肩開挖布置示意

610m高程以下壩基開挖布置見圖5，對上游邊坡相鄰的泄洪洞進口、上游施工圍堰，采用布置和坡比調整予以避讓，對下游水墊塘，則采用自然銜接布置。大壩建基面以Ⅱ、Ⅲ1級巖體為主，自身穩定，上下游拱肩槽邊坡大部份為Ⅲ2和Ⅳ1級巖體，邊坡開挖控制坡比1∶0.1～0.45，河床覆蓋層開挖控制坡比1∶1.25。施工馬道基本寬度3m，上游邊坡梯

圖5 610m高程以下壩肩開挖布置示意

段高差30m，下游邊坡考慮交通便利，梯段高程和抗力體排水洞底板高程一致，梯段高差40～60m。

拱壩建基面采用預裂控制爆破開挖，為便于質量控制，設計要求開挖梯段高度為10m，并按此高度設計開挖建基面?？紤]到拱壩建基面分布有一定數量的地質缺陷需要進行置換處理，為避免二次開挖對上下游邊坡造成破壞，根據前期地質資料，對左岸560m高程以下、右岸580m高程以下的下游拱端及左岸400～440m上游拱端進行了擴大開挖設計，下游拱端擴大區進行壩后貼坡，兼做下游通道及壩趾加固平臺。此外，為通過減少壩基嵌深實現減少壩體及開挖工程量的目的，設計在分析壩基巖體特點及論證拱壩結構可行性的基礎上，對400m以上的上游拱端進行非徑向開挖設計，拱端切角5°～15°，減少上游端開挖深度3～6m。拱端切角及擴大開挖示意見圖6。

圖6 拱端切角及擴大開挖示意

壩肩上游邊坡臨近大壩上游壩面區域，在大壩混凝土澆筑時，一般需在上游增加小貼角解決相接部位施工立模困難問題。為確保增加小貼角后不對壩體局部結構應力造成不利影響，除在混凝土澆筑時采用1cm厚土工布進行脫開隔離外，還對拱肩槽上游側坡距壩面較近區域的施工馬道進行必要的尖滅設計，如圖7所示，以使相接部位坡面盡量平順，以利于拱壩局部應力狀態均化。

4.3 支護設計

(1)建基面。溪洛渡大壩建基面以Ⅱ、Ⅲ1級巖體為主，巖體強度高，質量好，風化卸荷不強烈，壩址地應力不高，總體判斷開挖松弛問題不顯著，也無優勢結構面形成潛在的局部滑塊，設計對建基面邊坡不要求進行支護處理。

(2)拱肩槽。設計開挖方案壩肩穩定分析表明，壩肩邊坡無大規模的滑移控制面存在，壩肩邊坡整體均處于穩定狀態，不需針對整體穩定采取特別的加固措施，邊坡支護主要針對局部穩定問題。

壩肩開挖邊坡出露多條一定規模的層間層內錯動帶，計算分析表明，開挖卸荷后隨邊坡應力調整，在錯動出露區域會產生一定程度的邊坡變形，不加限制，有可能影響邊坡安全。為限制此類局部變形影響，設計采用了預應力錨索進行加固處理。根據加固位置不同，設計制定了4種不同規格的錨索，長度20～50m，設計噸位60～200t，錨固段長度6～8m，錨索間距5m，錯動帶區域錨索要求穿錯動帶，錨固段位于下層巖體之內。

圖7 施工馬道尖滅設計示意

壩基邊坡巖體大部分為Ⅲ2級及以上的區域，處于卸荷帶內的巖體結構較松馳，邊坡巖體中發育有層間錯動帶、層內錯動帶、擠壓帶和隨機裂隙等各類結構面，地質結構面和邊坡開挖組合可能構成不穩定塊體或潛在不穩定塊體，設計采用系統錨桿支護予以處理，支護措施包括掛網噴混、系統錨桿、坡面排水等，錨桿長度4.5～9m。

地表區域巖體中的柱狀節理受卸荷作用，發育成卸荷結構面，易在開口線附近的中傾角裂隙組合形成滑移拉裂式變形體；拱肩上游邊坡受層間、層內錯動帶控制，在開口線、馬道邊緣易受擠壓帶、裂隙及邊坡臨空面組合形成欠穩定隨機塊體。對這類問題，設計采用鎖口支護予以處理，鎖口支護措施包括系統鎖口錨桿、超前錨桿和錨筋樁等。鎖口錨桿在開口線區域外側布置，開挖前實施，錨桿長度6～9m；超前錨桿和錨筋樁主要布置在施工馬道外側，下層梯段開挖前先實施超前錨桿鎖口，開挖后根據裂隙發育情況再實施錨筋樁，超前錨桿和錨筋樁方向要求斜傾坡內，和坡面大角度相交，長度9～12m。

(3)覆蓋層。兩岸岸坡臺地上的覆蓋層多為堆積形成，要求進行清坡處理，河床壩基上游的覆蓋層邊坡，主要物質為砂礫石層，要求坡面穩定排水良好，主要采用掛網噴混和加強坡面排水處理措施，排水深度要求不小于5m。

4.4 施工控制

(1)作業流程控制。為保證開挖邊坡穩定、施工安全和施工進度要求，開挖爆破后，要求對每層工作面出現的危石及時清除干凈，對不穩定體進行隨機支護，然后進行出渣，并進行系統錨噴支護、錨索作業。

(2)進度控制。為減輕卸荷變形對邊坡局部穩定安全的影響，邊坡支護施工與壩肩開挖平行作業時，要求邊坡淺層支護(錨噴)不落后開挖工作面20m，錨索施工不落后開挖工作面30m，且在下一梯段開挖前，必須完成馬道鎖口支護。

(3)爆破方式。為確保建基面質量，對拱壩建基面上的垂直、斜坡和河床部位的水平建基面除要求必須采用預裂爆破外，還應控制爆破震動對壩基巖體損傷，要求建基面及邊坡上的安全質點振動速度≤10cm/s，開挖后建基面以下1m范圍聲波降低率小于10%。

(4)安全控制。為保證邊坡開挖開口線以外的邊坡穩定和以下的施工安全，開挖前要求對開口線以外的天然邊坡進行危石和松動巖體清除，平順坡面，對開口線進行鎖口支護，必要還可漿砌石擋護、柔性防護網等。

(5)質量控制。為使開挖面符合施工詳圖所示開挖線，保持開挖后基巖的完整性和開挖面的平整度，以及減少對邊坡和臨近建筑物的破壞及影響，采用不預留保護層、梯段高度不大于10m的預裂爆破、自上而下一次開挖成型的施工方法進行壩基開挖。建基面欠挖控制為10cm，超挖控制為20cm，平整度控制為15。

5 結 語

溪洛渡拱壩壩肩開挖范圍包括拱肩槽及壩頂上部至纜機平臺區域，開挖除需滿足拱壩建基面布置要求外，還應避免影響纜機平臺、上游圍堰、泄洪洞進口，兩岸需預留施工供料線。壩肩開挖支護設計主要以開挖、支護及施工控制三方面重點問題為主線進行，設計特點大致可歸結為如下幾點：

(1)根據拱壩建基面要求，結合地質、地形特點及相鄰建筑物進行開挖總體布置，610m高程以上采用了加大坡度和增加支護方式確保了纜機平臺和左右岸施工供料線順利形成。610m高程以下開挖不觸及泄洪洞進口、上游圍堰，按穩定坡比進行開挖布置，建基面采取了拱端切角和置換預擴挖處理，減少了開挖和混凝土工程量，對上游坡面馬道進行尖滅處理，實現了上游拱端施工貼角基面的平順，對改善拱壩基礎區局部結構應力有利。

(2)壩肩邊坡整體均處于穩定狀態，支護設計的對象主要為局部的變形和穩定問題，對壩肩開挖邊坡處有一定規模的層間層內錯動帶，采用了錨索加固提高變形穩定，對馬道、開口線區域，采用了鎖口錨桿支護防止變形破壞和局部失穩，對邊坡節理、裂隙發育的坡面，采用了系統錨桿和隨機錨桿進行支護，防止局部失穩。

(3)結合壩基及邊坡開挖特點，在爆破方式和質量控制方面，要求采用合理的爆破方式并限制爆破震動質點速度，以確保建基面及邊坡開挖質量，在作業流程、進度控制方面，要求限制開挖支護梯段高差，做好開挖前的馬道鎖口支護，加強局部變形、危險塊體的及時支護。

通過對開挖、支護及施工控制方面的重點問題的設計，在確保穩定安全、相互協調、經濟合理的原則下，提出了較為合理的開挖支護方式及施工要求，達到了提供滿足要求的拱壩建基面的目的。